Hledání nuly
27. 5. 2011
Mnozí z nás se každý den ráno, v poledne i večer zcela automaticky nakláníme k oknu, abychom na teploměru zjistili, jaká nás venku čeká teplota. Ale jak to všechno začalo? A kdo byl u zrodu teploměru? Jak je to vlastně s nulou? A co je nad nebo pod ní? Vypravte se s Michaelem do Uppsaly 18. století za slavným Celsiem a pak za jeho neméně slavným mladším kolegou Lordem Kelvinem. A za těmi nejnižšími teplotami u nás zavítáme ke zkapalňovači helia, abychom naměřili pouhé čtyři stupně nad absolutní nulou.
Filip: Píše se rok 1744. Jarní vítr, prosycený vůněmi rozkvétající přírody, přináší teplo do starobylého švédského univerzitního města Uppsaly.
Tereza: Tyto drobnosti však zcela míjejí ustaranou mysl Anderse Celsia. Jeho zesláblé tělo ovládla tuberkulóza, a tak v Celsiově tváři se už delší dobu nezračí jeho skutečný věk – 42 let.
Filip: Anders Celsius je profesorem astronomie na Uppsalské univerzitě. Mnoho let se věnoval pozorování polární záře.
Tereza: Právě on poprvé přišel s vysvětlením, že tento fascinující přírodní jev souvisí s magnetickým polem Země.
Filip: Roku 1739 stál Celsius u zrodu Královské švédské akademie věd ve Stockholmu a byl zvolen jejím členem.
Tereza: Před třemi lety zřídil zde v Uppsale novou astronomickou observatoř. Celsius jako první provedl a publikoval také přesné vědecké pokusy, jejichž cílem bylo vytvořit mezinárodní teplotní stupnici.
Citát Celsia: Na stupnici teploměru určí se nejprve jedna teplotní hranice, a to budiž ta, které bylo dosaženo v okamžiku, kdy voda vříti začíná. Hranice druhá pak při vody zamrzání. Vzdálenost tuto na sto dílků rovnostejných rozděliti jest třeba. Takto bude získaná stupnice teplotní, kteráž bude jednotna pro všechny, kdož při bádání svém temperatury rozličné měřiti musejí.
Michael: Takhle nějak asi vznikla stodílná teplotní stupnice, kterou používáme dodnes. A na věčnou paměť toho, jenž ji stanovil, říkáme každému jejímu dílku stupeň Celsia.
Tereza: Anders Celsius vytvořil několik významných vědeckých objevů. Například vymyslel metodu, jak určit jasnost hvězd. A sám stanovil jasnost tří set hvězd. Používal k tomu barevná skla.
Michael: He also participated in expeditions to Lapland and Ecuador to measure a degree along a meridian, the results from which confirmed Sir Isaac Newton's proposal, that the Earth is an ellipsoid flattened at the poles.Zúčastnil se také expedic do Laponska a Ekvádoru, aby změřil stupeň podél rovníku. Její výsledky potvrdily představu Sira Issaka Newtona, že Země je elipsoid, zploštělý na pólech.
Tereza: Objev, který ho ovšem učinil nesmrtelným, dnes všichni známe jako teploměr. Ano, byl to Celsius, který vytvořil teplotní stupnici, kterou nazval Centigrade.
Filip: Už za Celsiova života se teploměry používaly v meteorologii, v zahradnictví, občas i v místnostech. Potíž byla v tom, že každý teploměr byl unikátem. Neexistovala žádná standardizovaná teplotní stupnice. Porovnávání teplot tak bylo nesnadné a nepřesné.
Tereza: Na jakém principu vlastně teploměr funguje? Pojďme si to názorně předvést. Do kádinky nebo jiné nádobky, kterou snadno uzavřeme, nalijeme kapalinu. My jsme si vybrali olej do lamp. Nádobku s kapalinou důkladně uzavřeme.
Filip: Víčkem do nádobky zasuneme tenkou trubičku. Do ní ještě doplníme kapalinu tak, abychom viděli její hladinu. Její výšku si na trubičce označíme. A teploměr je hotov.
Tereza: Princip je tento: máme nějakou látku, v našem případě lampový olej, protože alkohol došel a rtuť je příliš nebezpečná. Tato látka reaguje na změnu teploty tak, že změní svůj objem. Zapálíme kahan.
Filip: A kapalinu v nádobce zahříváme.
Michael: Zahříváním se olej rozpíná. A hladina stoupá nahoru.
Tereza: A teď už potřebujeme jen nějakou tu stupnici, abychom to všechno mohli změřit.
Filip: Teplotní stupnice musí být vytvořena na jedné nebo dvou směrodatných teplotách, zvaných fixační body. Takové body byly často přebírány z praktických oblastí, jako je teplota lidského těla, anebo ze známých míst, jako byl například sklep pařížské astronomické observatoře, anebo nejvyšší teplota vzduchu na slunci v Londýně.
Tereza: Další fixační body byly a jsou samozřejmě bod tání a bod varu vody.
Michael: Jenže tehdy nebylo průkazné, že tyto pevné body jsou opravdu univerzální. Platí tato stupnice opravdu všude?
Filip: Právě Celsius poprvé provedl vědecké experimenty ke stanovení mezinárodní teplotní stupnice. Ve svém pojednání o „Pozorování dvou stálých stupňů na teploměru“ podal vědecký důkaz o tom, že bod mrazu je nezávislý na zeměpisné šířce a také na tlaku vzduchu. Určil závislost varu vody na tlaku vzduchu, což dokonale odpovídá moderním poznatkům. Vytvořil také pravidlo na určení bodu varu, pokud se tlak liší od běžného tlaku vzduchu.
Tereza: Konečně měření teploty získalo mezinárodní platnost a lidé mohli svá měření srovnávat mezi sebou podle jednoho metru.
Michael: Což je samozřejmě skvělé. Ale je v tom háček. Tato stupnice je relativní. Relativní k fyzikálnímu chování vody. Nula tady není ve skutečnosti nula. My dobře víme, že teplota může klesnout pod nulu. Otázka je, jak hluboce pod nulu. Existuje nějaký konečný bod, nějaká skutečná nula?
Tereza: A tak začal hon za absolutní teplotní stupnicí, pátrání po absolutní nule.
Filip: Vypravme se do Laboratoře nízkých teplot Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy v Praze. Může někde tady být absolutní nula?
Michael: Tohle je kapalný dusík.
Filip: No ten už znám.
Michael: Jeho teplota je -196 °C. Ten je studený dost. Ale absolutní nula to není. V této nádobě je kapalné helium, které má teplotu neuvěřitelných -269 °C.
Filip: Cože? No to snad nemůže být možné. Ukaž …
Michael: Nevěřící Filip. Ale je tam skutečně helium.
Filip: Já nic necítím. Minus 269 °C. To už snad nemůže být nic studenějšího. Brrr.
Michael: Well they can. But not by much. Liquid helium is only 4.2 °C warmer, than the coldest temperature, than absolute zero. And we know this thanks to this man.
Ale může. Ale ne o mnoho. Kapalné helium je pouze o 4,2 °C teplejší, než nejnižší teplota, než absolutní nula. A my to víme díky tomuto muži.
Filip: To je William Thomson, který se později stal lordem Kelvinem. Matematický fyzik a inženýr na Univerzitě ve skotském Glasgowě. K nalezení nejnižší možné teploty přistoupil ze zcela originálního hlediska. Roku 1848 navrhl stupnici absolutní teploty, která byla nezávislá na vlastnostech jakékoli látky. Byla založena výlučně na základních zákonech termodynamiky.
Michael: Thermodynamics links the temperature of an object to the kinetic energy of the particles it is made of. Consider, for example, this needle. On a macroscopic level the needle is not moving very much. At least we can´t see it moving. But in fact the atoms, from which it is made, are moving around with thermal energy.
Termodynamika spojuje teplotu objektu a kinetickou energii částic, které jej tvoří. Vezměme si třeba tuhle jehlici. Na makroskopické úrovni se tahle jehlice příliš nehýbe. Alespoň my to nevidíme. Ale atomy, které ji tvoří, se ve skutečnosti pohybují díky své tepelné energii.
Filip: Když totiž přiblížíme k naší jehlici, která má nižší teplotu, těleso s vyšší teplotou, jako je tento plamen, začne předávat svou tepelnou energii tomuto kovu. Díky tomu rozpohybuje atomy uvnitř a jehlice se začne roztahovat. Abychom si ověřili, že se jehlice při zahřívání opravdu roztahuje, máme tu tento pokus. Tuto dvojici světelných diod zapojujeme do série. Budeme ji totiž napájet devítivoltovou baterií.
Michael: We have one end of our battery connected to our needle here, which is then connected to one of the electrodes on our LEDs. And the other end is connected to this conductive aluminum wire.
Jeden vývod z naší baterie jsme propojili zde s jehlicí. Ta je propojena s jednou z elektrod našich LEDek. Druhý vývod je propojen s tímto vodivým hliníkovým drátem.
Filip: Drát, upevněný do svislé polohy, přiblížíme až téměř na dotek k jehlici. Pod ni umístíme zdroj tepla – třeba lampu s lampovým olejem.
Michael: If thermodynamics is correct, by heating up this needle it’s going to expand, because of the extra thermo energy the atoms of metal have, it’s going to connect with our metal wire here, connect the circuit and the lights will switch on. Pokud termodynamika platí, pak když zahřejeme tuto jehlici, bude se roztahovat v důsledku dodatečné tepelné energie, kterou atomy kovu mají. Jehlice se spojí s naším kovovým drátem. Propojí se tak obvod a světla se zapnou.
Filip: Okamžiky napětí. Jehlice se zahřívá, a tedy roztahuje – měla by se dotknout drátu … Přidej.
Michael: Přidám.
Filip: Áááá. A je to tam.
Michael: Jehlice se skutečně roztahovala. Termodynamika platí.
Filip: Mé závěry vycházejí z principů termodynamiky. Absolutní nula, tedy teplota, při níž se veškerá tepelná energie ztrácí, kdy ustává veškerý pohyb molekul – tedy 0 K rovná se minus 273,15 °C. Absolutní nula. Brrrr. Tak to je zima.
Michael: Absolutní nuly nemůžeme experimentálně dosáhnout. Ale je možné se jí přiblížit pomocí tohoto zkapalňovače helia.
Filip: Materiály s velmi nízkou teplotou se totiž velmi divně chovají.
Michael: Ano. A dokážou dělat i velmi podivné věci, jako je supravodivost a dokonce i levitace.
Filip: Kotouček supravodivého magnetu jsme nemuseli ponořit do vzácného, drahého kapalného hélia. Stačil kapalný dusík. Když se supravodivý magnet dokonale ochladil, přiblížili jsme k němu silný magnet neodymový. Levitace. Neodymový magnet se vznáší nad svým supravodivým kolegou.
Celsius zemřel na tuberkulózu ve svých 42 letech. Zanechal však po sobě nesmrtelný odkaz, který milióny lidí používají každý den.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough